矽晶奇蹟海報 A2

I

引言與研究背景

INTRODUCTION

1946

ENIAC 的困境

使用 17,468 根真空管，重達 30 噸，佔地如巨型倉庫，耗電量足以供應 10 個家庭照明。

1947

貝爾實驗室的突破

Bardeen、Brattain、Shockley 以鍺與金箔打造點接觸電晶體，無需真空，體積微小，開啟矽晶時代。

「大自然憎恨真空管。」

— 貝爾實驗室工程師 J.R. Pierce，1947

▲ 研究問題

當電晶體尺寸逼近原子層級，傳統 2D 微縮路線遭遇量子穿隧效應、漏電流失控與散熱崩潰等物理極限。半導體產業如何延續效能紅利？本研究以 70 年技術演進為脈絡，探討從單一晶片到異質整合封裝的典範轉移歷程。

M

方法與技術演進

METHODS

1958 – 1963

積體電路與 CMOS 發明

Jack Kilby 發明 IC，Wanlass 與 Sah 提出 CMOS 架構大幅降低功耗。Gordon Moore 預測電晶體數量每兩年翻倍。

Dennard Scaling

登納德縮放定律

面積縮小 50% 的同時功耗保持不變，晶片效能每 18 個月翻倍且不增加能耗，驅動 30 年黃金時代。

2000s — 3D 架構

FinFET 鰭式電晶體

胡正明教授團隊提出，通道立體化增加閘極接觸面積，成功延續摩爾定律至 5nm 節點，克服短通道漏電。

2020s — 環繞式閘極

GAAFET 與 Chiplet

閘極全面包覆奈米片，迎戰 3nm/2nm 極限。Chiplet 將 SoC 拆解為模組，混合匹配不同製程（核心 3nm + I/O 7nm），大幅提升良率。

效能 Performance

功耗 Power

面積 Area

▸ 異質整合黃金三角 PPA：在極小體積內同時實現效能、功耗、面積的極致平衡，為 More than Moore 核心策略。

R

研究結果

RESULTS

📈

摩爾定律黃金時代

10¹²

Intel 4004（1971）到 Core 2 Duo（2006），電晶體數量呈指數成長。

1971：Intel 4004 — 2,300 顆
1993：Pentium — 310 萬顆
2006：Core 2 Duo — 2.9 億顆

⚡

物理極限與典範轉移

2005

Dennard Scaling 失效，熱失控爆發，時脈頻率停滯。

短通道效應：量子穿隧失控
漏電流與散熱問題爆發
多核心設計架構興起

🤖

點燃生成式 AI 革命

HBM

透過 2.5D/3D 封裝整合 GPU 與高頻寬記憶體，突破記憶體牆瓶頸。

AMD MI300：3.5D 封裝架構
Nvidia B200：先進封裝挑戰
CoWoS / SoIC 代表技術

🇹🇼

台灣護國群山優勢

全球最完整

半導體供應鏈（晶圓代工＋封測雙龍頭）。異質整合列入國家核心關鍵技術。

晶片設計 · 晶圓製造
先進封裝 · 材料設備
台積電 3Dblox · 日月光 VIPack

▸ 2.5D vs 3D 先進封裝對比

2.5D CoWoS

微凸塊＋矽穿孔（TSV）縮短水平與垂直傳輸路徑，HBM 並排高頻寬整合。

3D SoIC

捨棄微凸塊，銅對銅直接混合鍵合（Hybrid Bonding），革命性互連密度提升。

▸ 賦能現代醫療與傳輸

醫療微型化：微型心律調節器、連續血糖監測儀（CGM）、智慧膠囊內視鏡，裝置從機台變穿戴。

矽光子 CPO：光學元件與 ASIC 共同封裝，傳輸路徑從數十公分縮短至數毫米，實現光速級海量資料吞吐。

D

討論與未來展望

DISCUSSION

次世代材料與技術

01

石墨烯與碳奈米管（CNT）
具備超高電子遷移率的終極導體，有潛力取代矽作為通道材料，突破速度極限。

02

穿隧場效電晶體（TFET）
利用量子穿隧效應進行開關，實現超低功耗，為後矽時代重要候選技術。

03

Monolithic 3DIC
國家奈米元件實驗室（NDL）研發，精準雷射活化技術在不傷害底層電晶體情況下實現完美垂直堆疊。

亟待克服的四大挑戰

1.

異質材料相容性：不同材質熱膨脹係數差異，導致封裝可靠度問題。

2.

晶片散熱極限：3D 堆疊帶來嚴峻熱效應，熱阻抗管理至關重要。

3.

EDA 工具與自動化：需支援多功能元件立體協同設計的全新工具鏈。

4.

互連介面標準化：Chiplet 間高速傳輸協定（UCIe）統一與可靠連接測試。

結論

從 1947 年肉眼可見的單一「點接觸」電晶體，到 2024 年容納千億顆電晶體、結合光與電的 3D 異質整合系統——突破，是科技不變的本質。

摩爾定律的定義或許正在改變，但人類透過「整合」與「微縮」探索運算極限的旅程，才剛進入最精彩的篇章。台灣憑藉完整供應鏈與頂尖封裝能力，正站在全球半導體產業的制高點。

無盡的微縮與整合之旅